CIMEC   24726
CENTRO DE INVESTIGACION DE METODOS COMPUTACIONALES
Unidad Ejecutora - UE
congresos y reuniones científicas
Título:
Presentación de Línea de Investigación: Modelado y simulación FEM de flujo y fenómenos de transporte en la microescala: Aplicaciones a Lab-on-a-Chip
Autor/es:
KLER, PABLO A.; BERLI, CLAUDIO L. A.; STORTI, MARIO A.; DALCIN, LISANDRO D.; PAZ, RODRIGO R.; RIOS RODRIGUEZ, GUSTAVO A.; GUARNIERI, FABIO A.
Lugar:
San Martín
Reunión:
Workshop; Primer Workshop Argentino de Microfluídica; 2014
Institución organizadora:
INTI
Resumen:
Las simulaciones computacionales representan una herramienta clave para facilitar el proceso de incorporación de los LOC al uso corriente. Los modelos numéricos y las simulaciones computacionales permiten un estudio más detallado de la compleja fenomenología multifísica presente en losloc~permitiendo una comprensión más acabada de los diferentes fenómenos y efectos que tienen lugar en estosentornos micro- y nanométricos. Esta comprensión de los fenómenos y sus efectos sobre el rendimiento de los dispositivos permite salvar las dificultades producto de los escasos parámetros medibles y contribuir a la construcción de conocimiento sistemático de los fenómenos fisicoquímicos en la micro- y nanoescala. Paralelamente, la implementación de los modelos numéricos desarrollados en dominios computacionales que emulan dispositivos reales (prototipado numérico) permite una evaluación objetiva del rendimiento de los dispositivos, sus capacidades analíticas, y sus posibles mejoras a un costo sensiblemente menor que los que acarrea la manufactura de prototipos reales. El prototipado numérico permite una realimentación permanente a la etapa de diseño para la optimización de todas las funcionalidades de los dispositivos, previo a su fabricación, acelerando y disminuyendo los costos de los procesos de desarrollo de LOC. Actualmente, el modelado y la simulación de LOC implica el abordaje de tres desafíos simultáneos: la complejidad fisicoquímica, la multifísica y la multiescala. Los métodos separativos y analíticos implementados enloc, implican el uso de complejos sistemas de soluciones de electrolitos que determinan las condiciones fisicoquímicas necesarias para llevar a cabo estos procesos. Representar correctamente la interacción de todas estas especies químicas es laborioso, complejo y computacionalmente demandante, por ello, aquellos modelos y programas que resuelven en detalle la fisicoquímica de las soluciones y muestras, no resuelven la mecánica de fluidos o la complejidad geométrica de los LOC en dominios 2D o 3D. Respecto de la multifísica, existen algunos códigos que permiten la resolución simultánea de los problemas eléctricos, fluídicos y másicos. En contraste con los anteriores, el rendimiento de estos códigos para un gran número de especies químicas es deficiente. Finalmente, el problema de la multiescala es un problema de estricta índole computacional: la resolución mediante métodos numéricos implica el particionamiento de los dominios en ``elementos discretos´´ configurando grillas o mallas sobre las cuales se realiza el cálculo. De esta forma las mallas deben poder capturar la escala de los fenómenos que se están modelando, y en el caso de los LOC, esta escala comprende 6 órdenes de magnitud (desde nanómetros a milímetros). El denominador común de todas estas características es el alto costo computacional de las soluciones numéricas, de esta forma, contar con códigos capaces de funcionar en plataformas de cálculo paralelo distribuido es esencial. En este sentido el software desarrollado por el grupo de investigación, PETScFEM, ofrece características compatibles y beneficiosas con los desafíos planteados por la simulación y el prototipado numérico de LOC: es un software que permite la resolución de problemas con gran cantidad de especies químicas (200 especies o más), permite un acoplamiento directo y eficiente de los problemas eléctrico, fluídico, másico y químico (potencialmente también pueden integrarse los problemas térmicos, estructurales y multifásicos), incorpora algoritmos de refinamiento adaptativo de mallas para las resolución de las diferentes escalas de longitud, y permite la ejecución de las rutinas de resolución en plataformas de cálculo paralelo distribuido como clusters y supercomputadoras. La línea de investigación en LOC del grupo de microfluídica y fenómenos de transporte en la microescala del Centro de Investigación de Métodos Computacionales se viene desarrollando desde el año 2006 incluyendo el modelado y la simulación de diversos problemas fisicoquímicos asociados al diseño y desarrollo deloc, como el flujo electroosmótico, las separaciones electroforéticas, dinámicas reactivas tipo ácido--base, inmunológicas y enzimáticas, flujos mixtos tridimensionales y simulación de prototipos de LOC completos, entre otras actividades y colaboraciones con diversos grupos de investigación. En el marco del primer Workshop Argentino de Microfluídica, se propone una presentación general de las actividades del grupo y la discusión particular de algunas aplicaciones de interés, ventajas y limitaciones de los prototipos numéricos y su perspectiva a futuro.